航空先進復合材料鋪放及縫合設備的發(fā)展及應用

西北工業(yè)大學陜西省數(shù)字化制造工程技術(shù)研究中心 王永軍 何俊杰 元振毅

中航飛機股份有限公司西安飛機分公司 王浩軍 楊紹昌 蘇 霞

在航空領域，復合材料的應用從最初的次承力結(jié)構(gòu)大幅擴展到機翼、機身等主承力結(jié)構(gòu)，其用量和減重效果已成為衡量飛機先進性的重要標志，因此，先進復合材料制造技術(shù)成為世界強國競相發(fā)展的核心技術(shù)。國外先進復合材料在大型飛機結(jié)構(gòu)上的用量已經(jīng)達到甚至超過50%，如波音787 復合材料用量為50%，其機身和機翼主要結(jié)構(gòu)幾乎全部由復合材料制成；A350 復合材料用量從最初的37%提高到52%，主要用在機翼、機身、垂尾、平尾等結(jié)構(gòu)中[1]。隨著復合材料的大量應用，大型整體構(gòu)件數(shù)量和尺寸的不斷增加，各種先進復合材料制造設備迅速發(fā)展，并在航空制造業(yè)得到了廣泛的應用。

本文重點介紹幾種近年來發(fā)展較快的復合材料制造設備及應用情況。

自動鋪放設備及應用

為保證復合材料整體構(gòu)件的質(zhì)量穩(wěn)定性和提高制造效率，用于自動化鋪放的自動鋪帶機與絲束鋪放機得到快速發(fā)展，成為先進大型飛機制造的關(guān)鍵設備。

1 自動鋪帶設備及應用

伴隨著20世紀60年代由單向帶形式開發(fā)的先進復合材料的出現(xiàn)，復材構(gòu)件的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法主要為手工鋪放，它具有成本高、效率低、報廢率高和可重復性差的缺點。

20世紀60 年代中期，針對小曲率的大型復合材料構(gòu)件，美國率先在先進復合材料制造領域開發(fā)并應用自動鋪帶設備，相對于手工鋪放無論在生產(chǎn)效率還是產(chǎn)品質(zhì)量上都有較大提高。

80年代以后，自動鋪帶開始廣泛應用于飛機的制造領域，如：F-22戰(zhàn)斗機（機翼）、波音777民用飛機（全復合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮）和軍用C-17運輸機（水平安定面蒙皮）、V-22（旋翼蒙皮）等。歐洲復合材料鋪帶成型的產(chǎn)品有機翼蒙皮、尾翼、翼梁、增強肋等，主要包括空客A330/A340（水平安定面蒙皮）、A340-500/600（尾翼蒙皮）和A380（安定面蒙皮、中央翼盒）等[2-4]。

自動鋪帶機分為平板式自動鋪帶機（TLM）和曲面自動鋪帶機（TCLM）2種。TLM有4個聯(lián)動軸，主要適用于平板或小曲率機翼壁板的制造；CTLM有5個聯(lián)動軸，適用于單曲面中等曲率壁板（如大尺寸機身）的制造。自動鋪帶機由臺架系統(tǒng)（平行軌道、橫梁及立桿）和鋪帶頭組成，分為單架式和雙架式。其中鋪帶頭作為自動鋪帶設備的核心部件，集兩套3軸切割系統(tǒng)、預浸帶輸送控制系統(tǒng)、預浸料加熱系統(tǒng)、預浸料成型壓力控制系統(tǒng)、帶料調(diào)整（間隙控制）系統(tǒng)、鋪帶頭安全防撞系統(tǒng)等子控制系統(tǒng)于一體，實現(xiàn)了預浸帶切割、輸送和鋪放等運動功能，以及鋪帶頭運動相應的保護功能和預浸帶質(zhì)量檢測功能。

不同廠家的自動鋪帶頭的結(jié)構(gòu)和功能略有差異。圖1為歐美各國主要自動鋪帶機制造商研制的自動鋪帶頭。其中，圖1（a）為西班牙 M-Torres 公司自動鋪帶機Torreslayup的鋪帶頭，其新型鋪帶頭不但具有多帶平行鋪放的功能，而且其在傳動鏈軸后面安裝超聲波切割裝置，該設備可以當成三維切割系統(tǒng)來使用，可用于固體層壓材料的三維切割[5]；圖1 （b）為美國 Cincinnati公司自動鋪帶機CHARGERTM Tape Layers 的鋪帶頭；圖1（c）為法國Forest-line公司自動鋪帶機Daul-Phase Tape Laying雙工位鋪帶頭，其上配備了一個單工序鋪帶頭和一個雙工序鋪帶頭[6]。

圖1 歐美各種自動鋪帶機鋪帶頭

自動鋪帶系統(tǒng)按預浸帶的切割和鋪疊實施方式可分為“一步法”和“兩步法”兩種工作方式。兩者在同一鋪帶頭上完成即為“一步法”，預浸帶的切割和鋪疊分開實施，即不在同一頭上完成則為“兩步法”。這兩種方法都能滿足一般產(chǎn)品的加工要求，在復合材料自動鋪帶成型過程中，“一步法”自動鋪帶仍占主導地位；對于復雜形狀鋪層，“兩步法”比“一步法”更容易實施，且鋪放效率較高，但“兩步法”較“一步法”的設備價格較高。

經(jīng)過不斷的發(fā)展和完善，自動鋪帶設備在美國和歐洲已經(jīng)成熟，并大規(guī)模應用于航空復合材料結(jié)構(gòu)件的制造。

目前，日本三菱公司負責生產(chǎn)的主翼蒙皮用的Linear Atlas鋪帶機是全世界最大的鋪帶機，尺寸達40m×8m， 鋪設速度為60m/min。西班牙M-Torres公司研制出11軸自動鋪帶機，法國Forest-Line公司研制出帶有雙向鋪帶頭的自動鋪帶機。目前鋪帶寬度最大可達到300mm，鋪帶速度達1.3～20.4kg/h，生產(chǎn)效率可達到手工鋪疊的數(shù)十倍。圖 2為M-Torres公司的自動鋪帶設備對A350機翼蒙皮進行鋪帶的過程。

馬格·辛辛那提公司提供的Charger 型機可以鋪75mm、150mm或300mm無緯預浸帶。Charger型面鋪帶機可以鋪達25°銳角的特型鋪層，它應用的是CNC 10軸龍門型系統(tǒng)，可自動下料、壓實預浸帶。該系統(tǒng)應用了獨特的側(cè)面加載頭，可提供快速、簡單更換300mm 寬、Φ650mm直徑鋪放壓輥功能，用于生產(chǎn)A320/A330/A340/A380及A400M 的機翼桁條、梁、蒙皮及升降舵、尾翼蒙皮、平尾、發(fā)動機短艙、機身蒙皮及機腹整流罩等。除了通用的鋪帶機外，馬格·辛辛那提還開發(fā)出形狀相同或相似的大批量生產(chǎn)的專用鋪帶機，如為沃特飛機公司開發(fā)了平面鋪帶機，用于制造長的平面構(gòu)件；后續(xù)該公司還開發(fā)了小型平面鋪帶機（SFTL），用于生產(chǎn)長、窄、平面構(gòu)件，多件鋪層板，隔膜成型蒙皮等，典型用途為制造大梁、桁條、梁、剪切帶、框、襟翼及蒙皮。

2 纖維絲束鋪放設備及應用

纖維絲束鋪放技術(shù)是20 世紀70年代由美國 Boeing、Hercules 等公司在纖維纏繞和自動鋪帶技術(shù)基礎上發(fā)展起來的[7-8]，用于復合材料機身結(jié)構(gòu)制造。20 世紀80 年代后期，專業(yè)數(shù)控加工設備制造商對該技術(shù)和設備作了進一步完善，1989年Cincinnati Machine公司設計出其第一臺纖維絲束鋪放機并隨后投入使用；1995年Ingersoll 公司研制出其第一臺纖維絲束鋪放設備[9]。

自動絲束鋪放是在模具上鋪放預浸絲束，在自動鋪帶的基礎之上，鋪絲頭的壓輥將數(shù)根預浸絲束壓在模具的表面，并集成為一條寬度可變的預浸帶，然后再加熱軟化并進行壓實定型，寬度的變化由程序來控制,預浸絲束根數(shù)自動調(diào)整。對應不同曲率的不同需求，自動絲束鋪放機可適應3.2～25.4mm寬的預浸絲束。

與自動鋪帶相比，自動絲束鋪放的優(yōu)點主要在于：按構(gòu)件型面具有增減紗束根數(shù)的功能，可根據(jù)構(gòu)件形狀自動切紗適應邊界，廢料率很低（3%～8%），不需要隔離襯紙，可完成局部加厚、加筋、鋪層遞減、開口補強等操作，鋪放軌跡自由度更大，可變角度鋪放，能適應大曲率復雜構(gòu)件成型。

典型的自動絲束鋪放機有7個運動軸，以及由計算機控制的12～32個絲束輸送軸；絲束是指3mm或6mm的預浸絲束。鋪絲頭把預浸絲束獨立輸送并將其壓實、切割，每一根預浸絲束從絲束筒上抽出，通過預浸絲輸送系統(tǒng)到達鋪絲頭，在鋪絲頭集束后鋪放到模具表面。

自動絲束鋪放機機型已從 Viper1200、Viper3000升 級 到Viper6000。Viper6000自動絲束鋪放機能操作達86180kg 的心軸，可以鋪放并控制的纖維束由24個增到32個絲束，能對32條絲束或窄帶進行供料、夾持、下料及鋪放，可鋪多種零件，具有高敏捷性和準確性，由于采用單側(cè)紗架，還具有操作友好性。目前，沃特飛機公司用其來生產(chǎn)波音787的機身段，空客A350XWB機身的92%用Viper制造。

圖3 M-Torres公司的纖維鋪放設備

圖4 A350XWB翼梁自動鋪絲檢查

圖3為M-Torres公司的纖維鋪放設備；圖4為A350XWB翼梁自動鋪絲過程的檢查。

3 國內(nèi)自動鋪放設備

國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，其中南京航空航天大學2004年起與北京航空材料研究院聯(lián)合開發(fā)自動鋪帶設備，并于2005年研制成功國內(nèi)第一臺自動鋪帶原理樣機，實現(xiàn)了自動鋪帶的基本功能[10-11]。

哈爾濱工業(yè)大學在原有的6軸纏繞機的基礎上對自動鋪絲技術(shù)進行改造，研制了一種7軸纖維鋪放頭。

2006年，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所與Forest-Line 公司合作，采用引進自動鋪帶頭關(guān)鍵部件集成的技術(shù)路線研制翼面大型自動鋪帶機，在國內(nèi)首次采用“兩步法”自動鋪帶技術(shù)成功研制出大尺寸壁板蒙皮[12]。

2010年4月，由南京航空航天大學與齊齊哈爾二機床聯(lián)合研制出SKPC250/2000型大型筒段鋪纏一體機（圖5）在第六屆中國數(shù)控機床展覽會上展出。

圖5 國產(chǎn)大型筒段鋪纏一體機

熱隔膜成型設備及應用

熱隔膜成型技術(shù)與自動化鋪放技術(shù)相結(jié)合，在大型復合材料構(gòu)件成型方面得到越來越多的應用。熱隔膜成型技術(shù)已在B777 長桁、V-22長桁和A400M機翼前梁等大型構(gòu)件中得到成功應用。目前國外供給熱隔膜成型的設備（圖6）已經(jīng)比較多，康泰公司（美國）作為供應熱成型機相對較大的公司，其設備已提供給全球70多個國家地區(qū)，早在20世紀80年代就為英國BAE公司鷂式戰(zhàn)斗機的生產(chǎn)提供此類設備，此后為SAAB公司的 Gripen 戰(zhàn)斗機，后來又為直升機和鷂式維修工廠和歐洲戰(zhàn)斗機項目，以及波音787提供了類似設備[13]。

圖6 熱隔膜成型設備

這些設備除了具有一般熱壓機的特點外，還具備抽真空裝置。另外，由于熱隔膜成型件的尺寸往往都比較較大，所以一般的熱壓機往往難以符合生產(chǎn)要求。A400M 機翼大梁用的熱壓機長20多米，就是美國Aeroform. Ltd公司專門為其設計制造的。

復合材料縫合設備及應用

縫合技術(shù)是針對傳統(tǒng)工藝方法的不足而開發(fā)出的一種全新的技術(shù)。其原理是通過縫合手段使復合材料在垂直于鋪層平面的方向得到增強。盡管縫合易引起一定程度的面內(nèi)纖維的損傷，但克服了傳統(tǒng)復合材料層間強度低、易分層的缺點，由于減少鉚接、螺接等機械連接數(shù)量，從而更有利于減重和提高復合材料層間損傷容限。

國內(nèi)外在縫合設備的研制和開發(fā)方面投入了大量的人力和物力，從最初的工業(yè)縫合機發(fā)展到了采用計算機控制的大型縫合設備，無論是縫合速度、縫合規(guī)模還是縫合質(zhì)量都得到了大幅度提高，不但能夠?qū)崿F(xiàn)單曲面預成形體的縫合，而且可以實現(xiàn)各種復雜曲面預制體的縫合。

圖7 德國KSL公司的復材縫合機器人

德國KSL公司使用機器人作為自動縫合設備，為了保證縫針垂直于零件表面，采用六自由度的機器人移動，可進行鎖式縫合、改進的鎖式縫合和鏈式縫合3種不同的縫合方式（圖7中右上和右下兩圖分別為該設備縫針的照片和雙針單邊縫合原理圖），其雙針單邊縫合步長可在2～10mm的范圍內(nèi)進行調(diào)整，最大材料縫合厚度可達20mm，縫合速度達500針/mm。相比傳統(tǒng)的工業(yè)縫合機，該設備在縫合速度、縫合規(guī)模以及縫合質(zhì)量上都得到了大幅度提高?？湛凸具\用這種3D縫合機器人，縫合了A380尾部壓力倉壁，該組件僅重250kg。

另外，美國NASA聯(lián)合波音公司開發(fā)了一種28m長的縫合機，用于制造復合材料機翼壁板，獲得了25%的減重效果，較鋁合金壁板降低成本20%。

結(jié)論

采用先進的自動化鋪放設備進行飛機復合材料構(gòu)件的制備，并采用自動縫合方法提高其損傷容限，是現(xiàn)代飛機復合材料制造技術(shù)發(fā)展的重要方向。因此，我國企業(yè)急需通過引進和研制先進的自動化鋪帶、鋪絲設備以及熱隔膜成型、縫合設備，大幅提高我國復合材料自動化制造設備水平，為軍民用飛機的型號研制打下堅實的基礎。

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